一种互不固溶体系铝-钨合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属表面合金化和表面改性技术领域，尤其涉及一种互不固溶体系铝‑钨(Al‑W)合金材料及其制备方法。本发明专利技术利用HCPEB辐照技术制备铝钨表面合金层，不仅表面各项性能得到提高，而且极大地提高金属钨的利用率，在保证性能的前提下降低Al‑W合金的生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属表面合金化和表面改性
，尤其涉及一种互不固溶体系铝-钨(Al-W)合金材料及其制备方法。技术背景高强铝基复合材料被广泛应用于航空航天、国防军事装备领域、油气及汽车等民用军用产品中的高强度抗力结构件，传统高强铝基复合材料以7075铝合金(A1-Zn-Mg-Cu系)为代表。基于钨及钨合金具有高密度、高强度、低热膨胀系数、抗腐蚀性和良好加工性能等特点，开发出在成本及机械性能明显优于现有的7075高强铝合金的铝钨合金。铝钨合金兼具铝和钨的优良性能，密度低、比强度高、耐高温、抗腐蚀，且易于加工。除了铝和钨的优点之外，铝钨合金还有一个最大的特点就是耐磨，能够很好地应用在高尔夫球杆和球头、医疗器械部件(呼吸机)、汽车发动机活塞、轮毂等部件，而且还有希望在未来应用到装甲材料以及航天发动机等领域。研究表明，Al-W平衡相图中几乎不存在固溶相，属于互不固溶体系金属元素，而且铝和钨的熔点和密度差别很大。大量实验数据表明要让互不固溶、互不反应的金属元素之间发生扩散来实现材料合金化或者进行渗金属等材料表面改性，应充分利用空位、位错等晶体缺陷。目前，互不固溶体系的合金多采用机械合金化法制备。粉末冶金的机制是由于粉末间的扩散距离大为缩短，并且球磨过程中产生了大量的晶体缺陷，包括位错和空位，这些缺陷破坏了晶体结构的完整性，降低了溶质代位扩散的能垒，为元素在基体中的扩散提供了较快的通道。然而机械合金化方法仅适用于制备粉末金属，对于块体金属是不适用的。强流脉冲电子束(HCPEB)辐照是近年来广受关注的一种材料表面改性技术。HCPEB在辐照材料的瞬时过程中，较高的能量在瞬间作用在材料表层，造成材料表层极为快速的加热和冷却，产生诸如快速凝固、汽化、热应力、冲击波和增强扩散等物理化学现象，在材料表层诱发密度极高的点、线、面的类型晶体缺陷，如位错、堆垛层错、空位及空位簇、孪晶及晶界等。大量缺陷将为元素扩散提供“绿色通道”，使得互不固溶、互不反应的金属元素之间发生扩散或者合金化，从而实现互不固溶体系之间固溶或者合金化的效果。鉴于以上技术问题，本专利技术公开一种互不固溶体系Al-W合金材料及其制备方法，该工艺利用HCPEB辐照金属材料表面诱发的晶体缺陷来实现互不固溶、互不反应体系元素之间的合金化，在材料表面形成一层均匀连续的Al-W合金层。
技术实现思路
本专利技术提出一种互不固溶Al-W合金材料及其制备方法。本专利技术利用HCPEB辐照技术制备铝钨表面合金层，不仅表面各项性能得到提高，而且极大地提高金属钨的利用率，在保证性能的前提下降低Al-W合金的生产成本。本专利技术采用的技术方案如下：(1)选用普通市售纯铝，使用金相砂纸打磨表面并抛光，用无水乙醇清洗备用。(2)利用HCPEB辐照表面预处理后的纯铝基体诱发晶体缺陷。(3)在辐照后基体表面预置一层金属钨粉。(4)再次利用HCPEB辐照表层实现铝钨的合金化，获得均匀、连续且致密的铝钨合金层。所述步骤(1)中基体纯铝的牌号为1060，尺寸为10×10×5mm，依次采用的金相砂纸是400到2000目数的砂纸，金刚石抛光剂粒度为0.5μm。所述步骤(2)及(4)中采用的HCPEB辐照工艺为：束斑直径为40～60cm；脉冲电子束能量为20～40keV；能量密度为4～20J/cm2；辐照次数为15～35次；靶源距离15～20cm；真空度P≤8×10-3Pa。步骤(2)中，辐照次数为20次；步骤(2)中，辐照次数为25次。所述步骤(3)中预置的金属钨层厚度为20-50μm，预置过程为将粘结剂与金属钨粉混合并使用超声波使其混合均匀，最后均匀涂覆于样品表面；粘结剂为有机粘结剂(硝基清漆，在电子束的辐照过程中自动挥发。所述步骤(4)中铝钨合金层厚度为10～15μm。与现有技术相比，本专利技术的优点如下：1.现有技术主要是通过机械合金化的手段来实现互不固溶材料的合金化，其成本高昂，生产周期较长。目前强流脉冲电子束(HCPEB)技术已经应用于材料的合金化，但是还未用于互不固溶、互不反应的金属元素之间发生扩散或者合金化，从而实现互不固溶体系之间固溶或者合金化；2.本专利技术公开一种互不固溶体系Al-W合金及其制备方法，克服了块体材料中互不固溶元素合金化的困难，其技术特点在于：首先通过HPCEB辐照在基体表面诱发大量缺陷，然后通过预涂钨粉后再经过HCPEB辐照处理获得Al-W合金层，该制备方法不仅极大地提高了互不固溶金属Al和W的合金化程度，而且提高了金属钨的利用率，降低铝钨合金的生产成本；同时，本专利技术制备的Al-W合金层厚度为10-15μm，分布均匀、连续且致密，且具有超细晶纳米结构。3.本专利技术的作用机理在于：利用HCPEB辐照处理在基体表面产生大量缺陷，然后将钨粉预涂在被处理的表层，再次进行HPCEB辐照处理，利用基体预处理产生大量缺陷为互不固溶体系的合金化提供有力通道并提高激活能，从而实现合金化。附图说明图1为Al-W合金层表面XRD曲线。图2为合金层表层的超细晶结构的扫描电镜照片。图3为较大钨颗粒一半合金化的扫描电镜照片。图4为本专利技术中铝钨合金层及重熔层的截面金相照片。具体实施方式实施例1：(1)合金层的制备对规格为10×10×5mm的1060纯铝基体进行打磨、抛光，采用的砂纸是400，800，1000，1200，1500，2000目的砂纸，金刚石抛光剂粒度为0.5μm。对表面处理后的纯铝基体进行HCPEB辐照处理，根据HCPEB设备的技术要求选择电子束能量为27KeV，能量密度为4J/cm2，靶源距离为15cm，真空度P≤8×10-3Pa，束斑直径为60cm，对试样进行20次辐照处理。在辐照后的表面预置金属钨粉，厚度为20-30μm，粘结剂为有机粘结剂硝基清漆，在电子束的辐照过程中自动挥发，预置过程为将粘结剂与金属钨粉混合并使用超声波使其混合均匀，最后均匀涂覆于样品表面。再次对处理后预置钨粉的表面进行HCPEB辐照处理，根据HCPEB设备的技术要求选择电子束能量为27KeV，能量密度为4J/cm2，靶源距离为15cm，真空度P≤8×10-3Pa，束斑直径为60cm，对试样进行15次辐照处理。(2)合金层分析附图合金层的厚度为10-13μm，重熔层厚度为12-15μm，XRD显示合金相为Al4W，还有少量的Al5W；经过15次辐照处理后样品横截面OM显示存在较大未熔的钨颗粒，样品表面SEM存在较大的金属钨颗粒，该颗粒与基体结合良好。实施例2：(1)合金层的制备对纯铝基体处理同实施例1相同。对处理后的纯铝基体进行HCPEB辐照处理，根据HCPEB设备的技术要求选择电子束能量为27KeV，能量密度为4J/cm2，靶源距离为15cm，真空度P≤8×10-3Pa，束斑直径为60cm，对试样进行20次辐照处理。在辐照后的表面预置金属钨粉，厚度为20-30μm，粘结剂为有机粘结剂硝基清漆，在电子束的辐照过程中自动挥发，预置过程为将粘结剂与金属钨粉混合并使用超声波使其混合均匀，最后均匀涂覆于样品表面。再次对处理后预置钨粉的表面进行HCPEB辐照处理，根据HCPEB设备的技术要求选择电子束能量为27KeV，能量密度为4J/cm2，靶源距离为15cm，真空度P≤8×10-3Pa，束斑直径为60cm，对试样进行2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种互不固溶体系铝‑钨合金材料及其制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)选用普通市售纯铝，使用金相砂纸打磨表面并抛光，用无水乙醇清洗备用；(2)利用HCPEB辐照表面预处理后的纯铝基体诱发晶体缺陷；(3)在辐照后基体表面预置一层金属钨粉；(4)再次利用HCPEB辐照表层实现铝钨的合金化，获得均匀、连续且致密的铝钨合金层。

【技术特征摘要】
1.一种互不固溶体系铝-钨合金材料及其制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)选用普通市售纯铝，使用金相砂纸打磨表面并抛光，用无水乙醇清洗备用；(2)利用HCPEB辐照表面预处理后的纯铝基体诱发晶体缺陷；(3)在辐照后基体表面预置一层金属钨粉；(4)再次利用HCPEB辐照表层实现铝钨的合金化，获得均匀、连续且致密的铝钨合金层。2.如权利要求1所述的一种互不固溶体系铝-钨合金材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中基体纯铝的牌号为1060，尺寸为10×10×5mm，依次采用的金相砂纸是400到2000目数的砂纸，金刚石抛光剂粒度为0.5μm。3.如权利要求1所述的一种互不固溶体系铝-钨合金材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(2)及(4)中采用的HCPEB辐照工艺为：束斑直径为...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕鹏，张远望，张从林，蔡杰，夏寒，董书恒，关庆丰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32